Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze

Die Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze (TOV-Grenze) ist das Neutronenstern-Äquivalent zur Chandrasekhar-Grenze für Weiße Zwerge. Sie gibt die maximale Masse an, bei der der Entartungsdruck der Neutronen und die Abstoßung der starken Kernkraft den Gravitationskollaps noch aufhalten können. Oberhalb dieser Grenze gibt es keinen bekannten Mechanismus, der den Kollaps zum Schwarzen Loch verhindern könnte.

Die Grenze wurde 1939 von Richard Tolman, J. Robert Oppenheimer und George Volkoff theoretisch berechnet. Oppenheimer und Volkoff veröffentlichten im selben Jahr ihre bahnbrechende Arbeit über die Struktur von Neutronensternen, die auch den ersten theoretischen Nachweis enthielt, dass Schwarze Löcher entstehen können (obwohl der Begriff erst 1967 von John Wheeler geprägt wurde).

Der exakte Wert der TOV-Grenze ist nicht bekannt, weil er von der Zustandsgleichung der Neutronenmaterie abhängt, also davon, wie sich Materie bei Dichten jenseits der Kerndichte verhält. Aktuelle Schätzungen liegen zwischen 2,0 und 2,5 Sonnenmassen. Die Verschmelzung zweier Neutronensterne, die LIGO und Virgo 2017 als Gravitationswellenereignis GW170817 beobachteten, lieferte wichtige Einschränkungen: Das Produkt der Verschmelzung (etwa 2,7 Sonnenmassen) kollabierte wahrscheinlich zu einem Schwarzen Loch, was eine TOV-Grenze unter 2,7 Sonnenmassen nahelegt.

Der schwerste bisher sicher bestätigte Neutronenstern ist PSR J0952-0607 mit etwa 2,35 Sonnenmassen (2022). Zwischen der TOV-Grenze und etwa 5 Sonnenmassen existiert eine sogenannte Masselücke, in der bisher wenige Objekte nachgewiesen wurden.

Gerade diese Masselücke ist für die Astrophysik hochinteressant, weil sie verrät, wie die Natur zwischen zwei sehr verschiedenen Endzuständen entscheidet. Lange schien es eine klare Trennung zu geben: leichte kompakte Objekte sind Neutronensterne, schwere sind Schwarze Löcher, und dazwischen liegt eine auffällig dünn besetzte Zone. Die Gravitationswellen-Astronomie hat dieses Bild aufgeweicht, denn einige beobachtete Verschmelzungen betrafen Objekte genau in dieser Lücke, deren Natur unklar blieb. Jede Messung in diesem Bereich liefert zugleich Hinweise auf die Zustandsgleichung der Neutronenmaterie, also auf das Verhalten von Materie bei Dichten, die in keinem irdischen Labor erreichbar sind. Damit wird die TOV-Grenze zu einem natürlichen Extremlabor der Kernphysik. Künftige Detektoren der nächsten Generation sollen viele weitere solcher Ereignisse einfangen und so die genaue Grenze bestimmen, an der ein Neutronenstern endgültig dem Schwarzen Loch weichen muss.